一种基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器的制作方法

1.本实用新型属于电子信息技术领域，涉及一种基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器。


背景技术：

2.随着现代微波器件的发展，多功能性和高集成度吸引了越来越多的关注。微波器件的多功能性是减小电路尺寸和增强多功能性的有效方法。在现代微波系统组，可调谐微波衰减器和带通滤波器是现代通信系统中的重要组件，前者用于将信号调节到不同的电平，而后者几乎是现代微波系统中应用最广泛的微波器件。在这种情况下，带通滤波器和衰减器被广泛的组合应用于某些特定应用，包括通信和雷达系统中的自动电平或增益控制电路。
3.在微波频段，石墨烯的显著特征之一是可以通过电调改变石墨烯表面阻抗，这为石墨烯提供了应用于可调微波器件与电路的可能，近年来已经有不少学者对基于石墨烯的滤波衰减器进行了研究，并提出了一些可行的结构和设计方法，实现了单通带的可调滤波衰减器设计。但是，随着电路尺寸的高集成度需求，在采用多个单通道可调滤波衰减器的电路设计中，由于单通道可调滤波衰减器的数量较多，导致电路尺寸较大且结构复杂，带来更多的电路损耗。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服上述现有技术中，在采用多个单通道可调滤波衰减器的电路设计中，由于单通道可调滤波衰减器的数量较多，进而导致电路尺寸较大，并且电路结构复杂，因而会带来更多的电路损耗的缺点，提供一种基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器。
5.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：
6.一种基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，包括有耗介质层，有耗介质层一侧上设置金属接地板，另一侧上设置输入微带线、输出微带线、第一三模谐振器以及第二三模谐振器；
7.输入微带线一端上设置输入端口，输出微带线一端上设置输出端口；输入微带线与输出微带线间隔设置，输入微带线与输出微带线之间形成耦合间隔，第一三模谐振器以及第二三模谐振器间隔设置在耦合间隔内部；第一三模谐振器以及第二三模谐振器均包括三个开路枝节和一个短路枝节，相邻两开路枝节之间设置石墨烯薄膜电阻，石墨烯薄膜电阻侧壁与相邻开路枝节的侧壁紧贴；短路枝节上设置与金属接地板连接的金属连接件。
8.可选的，所述第一三模谐振器或第二三模谐振器的三个开路枝节的长度均相同，且均为待滤波电磁波波长的四分之一；所述短路枝节的电长度为3
°
～5
°
。
9.可选的，所述第一三模谐振器或第二三模谐振器的三个开路枝节中，两侧的开路枝节对称弯折，输入微带线与输出微带线平行设置。
10.可选的，所述第一三模谐振器或第二三模谐振器的内部器件均关于短路枝节对称分布。
11.可选的，还包括外接电压源，外接电压源与石墨烯薄膜电阻连接，用于给石墨烯薄膜电阻提供可变的外接电压。
12.可选的，还包括输入sma端口和输出sma端口；输入sma端口与输入端口连接，输出sma端口与输出端口连接。
13.可选的，所述石墨烯薄膜电阻的形状为方形或圆形。
14.可选的，所述有耗介质层的介质衬底为rogers ro4003或rogers ro5880；所述金属接地板为材质为银、铜或铝的金属电镀膜。
15.可选的，所述金属连接件为金属通孔或金属圆柱。
16.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
17.本实用新型基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，采用第一三模谐振器以及第二三模谐振器实现双通带滤波，相较于多个谐振腔耦合的结构节省空间，体积更小。并且，通过石墨烯薄膜电阻实现了滤波衰减器，避免了集总电阻的焊接，降低了制造成本，同时通过外接电压的方式实现石墨烯薄膜电阻表面电阻的可控，进而实现滤波器的衰减可调。同时，通过输入微带线与输出微带线实现滤波器的两个通带并联，采用间隔设置可以实现两个通带互不干扰，从而实现滤波器的的两个通带衰减独立可调。该基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，将双通带滤波器和可调衰减器结合在一起，实现了微波器件的多功能性和高集成度，简化了电路结构，减小了电路尺寸，易于加工实现，在通信和雷达系统中的自动电平或增益控制电路有着极大的潜在应用。
附图说明
18.图1为本实用新型的基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器俯视结构示意图；
19.图2为本实用新型的基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器侧视结构示意图；
20.图3为本实用新型的第一三模谐振器俯视结构示意图；
21.图4为本实用新型的基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器等效电路示意图；
22.图5为本实用新型的基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器在石墨烯薄膜电阻的不同阻值下的s参数结果示意图。
23.其中：11-第一开路枝节；12-第二开路枝节；13-第三开路枝节；14-短路枝节；2-石墨烯薄膜电阻；3-有耗介质层；4-金属连接件；51-第一三模谐振器；52-第二三模谐振器；61-输入端口；62-输出端口；71-输入微带线；72-输出微带线；8-金属接地板。
具体实施方式
24.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
25.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
26.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：
27.参见图1至3，本实用新型一实施例中，提供一种基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，实现了两个通带的独立可调，结构简单，易于集成加工，可用于现代通信系统的滤波器设计中，能够实现微波器件的多功能性和高集成度。
28.具体的，该基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器包括有耗介质层3，有耗介质层3一侧上设置金属接地板8，另一侧上设置输入微带线71、输出微带线72、第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52，输入微带线71一端上设置输入端口61，输出微带线72一端上设置输出端口62；输入微带线71与输出微带线72间隔设置，输入微带线71与输出微带线72之间形成耦合间隔，第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52间隔设置在耦合间隔内部；第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52均包括三个开路枝节和一个短路枝节14，相邻两开路枝节之间设置石墨烯薄膜电阻2，石墨烯薄膜电阻2侧壁与相邻开路枝节的侧壁紧贴；短路枝节14上设置与金属接地板8连接的金属连接件4。
29.其中，石墨烯薄膜电阻2所使用的材料石墨烯是一种二维碳材料，具有优异的柔韧性和导电性，在微波频段内，其表面电抗可以忽略，表面电阻占主导地位，并可以通过外接电压的方式实现表面电阻的可控，进而实现滤波器的衰减可调。
30.具体的，本实用新型基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，采用第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52实现双通带滤波，相较于多个谐振腔耦合的结构节省空间，体积更小。并且，通过石墨烯薄膜电阻2实现了滤波衰减器，避免了集总电阻的焊接，降低了制造成本，同时通过外接电压的方式实现石墨烯薄膜电阻2表面电阻的可控，进而实现滤波器的衰减可调。同时，通过输入微带线71与输出微带线72实现滤波器的两个通带并联，采用间隔设置可以实现两个通带互不干扰，从而实现滤波器的的两个通带衰减独立可调。该基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，将双通带滤波器和可调衰减器结合在一起，实现了微波器件的多功能性和高集成度，简化了电路结构，减小了电路尺寸，易于加工实现，在通信和雷达系统中的自动电平或增益控制电路有着极大的潜在应用。
31.在一种可能的实施方式中，第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52均由四条金属枝节组成，包括三个四分之一波长的开路枝节，分别为第一开路枝节11、第二开路枝节12和第三开路枝节13，以及较短的短路枝节14，短路枝节14的长度会影响通带带宽，本实施例中短路枝节14的电长度约为3
°
～5
°
，用于调节带宽，其中，电长度为微带传输线的物理长度与所传输电磁波波长之比，短路枝节14通过与底部金属接地板8相通的金属连接件4实现短路，可选的，所述金属连接件4为金属通孔或金属圆柱，短路枝节14可根据枝节宽度选择不限于一个的金属连接件4。
32.在一种可能的实施方式中，所述第一三模谐振器51或第二三模谐振器52的三个开路枝节中，两侧的开路枝节对称弯折，输入微带线71与输出微带线72平行设置。具体的，第
一三模谐振器51或第二三模谐振器52弯折两个对称的开路枝节，即第一开路枝节11和第三开路枝节13，使得第一三模谐振器51和第二三模谐振器52可以由同一对平行的输入微带线71与输出微带线72进行耦合，外部耦合结构变得十分简单；弯折的第一开路枝节11和第三开路枝节13和中间的第二开路枝节12之间加有石墨烯薄膜电阻2，改变石墨烯薄膜电阻2的外接电压使石墨烯薄膜电阻2的阻值产生变化，从而实现滤波衰减器衰减可调。
33.其中，双通带可调滤波衰减器的两个通带通过输入微带线71与输出微带线72实现双路耦合，实现两个通带衰减独立可调，但输入微带线71与输出微带线72不局限于平行设置，在满足第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52输入耦合的情况下，输入微带线71与输出微带线72的其余部分可以进行弯折。
34.在一种可能的实施方式中，所述第一三模谐振器51或第二三模谐振器52的内部器件均关于短路枝节14对称分布。具体的，整个第一三模谐振器51或第二三模谐振器52关于短路枝节14对称，通过奇偶模法分析可以得出第一三模谐振器51或第二三模谐振器52有三个谐振点，进而通过改变枝节的长度实现不同的谐振频率，第一三模谐振器51或第二三模谐振器52就可以实现不同的通带。
35.在一种可能的实施方式中，第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52的各开路枝节可根据实际需求进行弯折以使滤波器结构更加紧凑，同时第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52的各枝节宽度可以根据实际情况改变。
36.在一种可能的实施方式中，还包括外接电压源，外接电压源与石墨烯薄膜电阻2连接，用于给石墨烯薄膜电阻2提供可变的外接电压。通过设置外接电压源给石墨烯薄膜电阻2提供可变的外接电压，进而改变石墨烯薄膜电阻2的阻值。
37.在一种可能的实施方式中，还包括输入sma端口和输出sma端口；输入sma端口与输入端口61连接，输出sma端口与输出端口62连接，输入端口61与输出端口62位于有耗介质层3侧面，输入sma端口与输入端口61以及输出sma端口与输出端口62均可焊接连接。
38.在一种可能的实施方式中，石墨烯薄膜电阻2的作用是影响微带线的阻抗，对微带线内传输的电磁波进行衰减，在满足设计要求的基础上，石墨烯薄膜电阻2的形状可为方形或圆形等任意形状。
39.在一种可能的实施方式中，有耗介质层3的介质衬底可为任意介电常数的介质，关于介质选择时，介电常数大的基板可以让模型尺寸变小，损耗角小的损耗小但介质板更贵，例如，可以采用rogers ro4003，为降低损耗也可以选择rogers ro5880。金属的微带线和金属接地板8可根据实际需求选取任意材质的金属电镀膜，常用金属材质的有银、铜或铝，电导率依次降低，成本也是依次降低。
40.本实用新型基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，实例中加载石墨烯薄膜电阻的单个谐振器5的等效电路图如图4所示，石墨烯薄膜电阻2等效为并联在微带线两旁的可变电阻，电阻越小，微带线传输的电磁波越少，信号衰减越大，从而实现电阻阻值变化控制信号电平衰减变化。
41.本实用新型基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器的工作过程如下所示：
42.输入信号从输入端口61进入双通带可调滤波衰减器后，输入信号通过输入微带线71耦合到第一三模谐振器51以及第二三模谐振器52中，由于三模谐振器的滤波特性，只有两个通带内频率的电磁信号可以传输通过双通带可调滤波衰减器，实现双通带滤波。当外
接电压为0v时，石墨烯薄膜电阻2的阻值最大，由于石墨烯薄膜电阻2是并联接入谐振器的，此时信号基本可以完全通过两个通带几乎没有衰减。当增大外接电压时，石墨烯薄膜电阻2的阻值减小，信号衰减也随之增大，从而实现双通带滤波器的可调衰减。同时，由于双通带可调滤波衰减器的两个通带相互影响很小，当分别控制两个三模谐振器上的石墨烯薄膜电阻2的外接电压时，双通带可调滤波衰减器的两个通带衰减可以分别控制。
43.参见图5，示出了本实用新型基于石墨烯的双通带可调滤波衰减器，采用图4所示的等效电路经仿真测试后，得到的双通带可调滤波器衰减器的s参数结果，其中，带三角形标记的线条是石墨烯薄膜电阻2的表面电阻为70ω和300ω(70ω为1.2ghz通带，300ω为2.1ghz通带)时双通带可调滤波器衰减器的s参数结果，带正方形标记的线条是石墨烯薄膜电阻2的表面电阻为150ω和600ω时双通带可调滤波器衰减器的s参数结果，带圆形标记的线条是石墨烯薄膜电阻2的表面电阻为300ω和1200ω时双通带可调滤波器衰减器的s参数结果。
44.可以看出，在1.2～1.3ghz和2～2.2ghz两个通带内，该双通带可调滤波衰减器的s21参数随石墨烯方阻减小而衰减不断增大，实现了从-3db到-10db的衰减；回波损耗s11随着衰减增大而不断增大，但在带宽内均小于-10db，实现了双通带滤波器的衰减可调。
45.以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。